在中学物理中,我们学习过一个概念,叫做熵。所谓的熵,就是一个环境的混乱程度。在没有外力干扰的情况下,熵永远都是自发在增加的,也就是说,一个不受外力的环境,始终有变得越来越混乱的趋势。
熵增定律被很多人奉为“宇宙的终极法则”,在我们目前的认知范围内不会被打破。那么,实际上真的是这样吗?
当我们把眼光放到整个宇宙,时间也看得更加久远的时候,就会发现:这个法则也不是完全适用于所有的情况。
在大约50亿年前,距离银河系中心大约2.5万光年的位置上,有一团弥散的星际云。这片星云里有着无数的原子、分子,它们无拘无束,随意地在宇宙中漂泊。
某一天,在这个星云里的某一个角落,有几颗粒子碰到了一起,它们没有弹开,而是“从哪里跌倒,就在哪里睡一觉”,留在了这个位置。接下来,周围的粒子发现这里很热闹,也想加入。于是在这几颗已经聚集的粒子的引力下,周围的粒子们也纷纷靠近,聚集了更多的粒子,也产生了更加巨大的引力。经过漫长的岁月,附近所有的粒子都集中到了一起,形成了一个巨大的天体——太阳。
原本弥散在宇宙空间、无拘无束的粒子,在引力的作用下束缚在一颗直径接近140万公里的球内,而不再到处乱跑。不论从哪个角度来看,似乎我们都无法看出这是一个熵增的过程。
让我们把眼光放得更加久远,来到宇宙形成伊始的时期。
在宇宙大爆炸的时候,整个宇宙并没有任何宏观物质,而是最小的微粒(如夸克,如果弦理论成立的话就是弦)。它们是最基本的物质,也是宇宙中数量最多的物质。随着宇宙的冷却,它们开始一点点结合,于是出现了质子、中子、电子等其他基本微粒。而质子在电离后(这叫做宇宙的再电离期),互相有了吸引力,于是成对结合,出现了氢原子。
原本杂乱不堪的最小微粒,结合成了基本微粒。混乱的基本微粒再结合,形成了各种原子,以至于未来的分子、天体。很明显,这是物质趋于稳定的一个过程。
再把眼光转向地球。在几十亿年前,地球还是一个混乱的世界,死气沉沉。某一天,突然有几个四处漂泊的有机分子走到了一起。它们发现,与其到处流浪,不如大家结合在一起。就这样,它们组成了更加复杂的有机分子。新的有机分子不断发展,有了越来越多的功能,以至于可以吸收周围环境的物质,来继续壮大自己。它们和其他有着同样野心的有机分子联合起来,并且制造出一张膜来保护自己这个环境,来躲避外界的纷纷扰扰。显然,这也是它们主动寻求着一种稳定的环境。通过这样一个稳定的环境,它们能够长期生存下来,甚至复制出了自己的同类。经过几十亿年的时间,演化成了今天的各种生物。
从上面几个例子,我们惊讶地发现:在熵增法则支配的宇宙下,很多物质竟然在没有外力的情况下,主动寻求着稳定。那么,熵增法则到底正确么?
事实上,对于这个问题,我们要做一个区别,那就是环境。我们说的熵增法则,是针对于一个大环境来说,比如宇宙。而前面那些自发形成稳定系统的物质,是大环境下的小环境。
比如创生伊始的宇宙,尽管微粒之间在不断地结合以稳定自己的状态,但随着体积的暴增,整个宇宙是越来越混乱的。在太阳系内,也是一样的,尽管星子结合成了天体,但天体的混乱排布,也会导致组成它的所有粒子随着它一起乱窜,后面举例的生物依然。
或者,我们可以换一个说法。所谓的熵增,表面上看是物质主动趋于混乱的状态,究其根本,其实是能量的分布变化——能量变得越来越不平均了。就像前面说的太阳系,能量不再平均分布在太阳系的空间中,而是聚集在某几颗巨大的天体上了。
换回刚才的说法就是:不论太阳系怎样变得稳定,整个宇宙都在不断膨胀、越来越混乱。因此,熵增法则,从这个角度来说,依然是无法挑战的。